本科細胞遺傳學核心實驗的模塊化教學探索

劉志祥 曾超珍

摘要 ? ?細胞遺傳學實驗是本科遺傳學教學中的重要內容，但由于課時的限制往往無法全部完成。在對現有遺傳學實驗教材進行分析的基礎上，按照模塊化設計將細胞遺傳學核心實驗分解為染色體誘變技術、染色體標本制備技術、染色體分析技術3個模塊，在此基礎上開展綜合性、設計性實驗教學，以期為提高細胞遺傳學實驗教學質量提供參考。

關鍵詞 ? ?細胞遺傳學;核心實驗;模塊化設計;教學方式

中圖分類號 ? ?G642;Q37.0 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）15-0255-02 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

Abstract ? ?Cytogenetics experiment is an important content in undergraduate genetics teaching， but due to the limitation of class hours， it is often impossible to complete all of them. Based on the analysis of the existing genetics experiment textbooks， the cytogenetics experiment was decomposed into three modules of chromosome mutagenesis technology， chromosome specimen preparation technology， and chromosome analysis technology accord-ing to the modular design. On this basis， comprehensive， designed experimental teaching was carried out， so as to provide references for improving the quality of cytogenetics experimental teaching.

Key words ? ?cytogenetics; core experiment; modular design; teaching method

遺傳學是引領生命科學發展的基礎核心學科，也是實踐性很強的學科[1]。遺傳學實驗教學是理論聯系實際，培養學生科學精神、思維能力和實踐能力的重要環節[2]。遺傳學實驗課程在森林資源類、植物生產類等本科專業培養方案中是最重要、綜合性最強的實驗課程之一[3]。

本科遺傳學實驗教學按照實驗內容可歸類為經典遺傳學、細胞遺傳學、微生物遺傳學、分子遺傳學、數量與群體遺傳學5個板塊[2，4-5]。近年來，國內遺傳學實驗教學越來越重視分子遺傳學實驗教學，聚合酶鏈式反應、質粒提取與酶切、大腸桿菌轉化等基礎分子遺傳學實驗項目早已經進入遺傳學實驗課程，甚至一些較復雜的分子遺傳學綜合實驗，例如QTL分析、RNA干擾等也已經引入到了遺傳學實驗課程[6-7]，從而使分子遺傳學實驗在遺傳學課程實驗中所占比例不斷增加。這一趨勢與現代遺傳學的發展是相契合的，但也導致在總學時基本不變的情況下，細胞遺傳學實驗等經典內容勢必被壓縮。

面向森林資源類、植物生產類等本科專業，本文在對現有遺傳學實驗教材進行分析的基礎上提出了細胞遺傳學的核心實驗，嘗試按照模塊化設計將其分解為染色體誘變技術、染色體標本制備技術、染色體分析技術3個模塊，在此基礎上探討開展綜合性、設計性實驗教學。本文對在課時有限的條件下提高本科細胞遺傳學實驗教學效果具有一定的參考價值。

1 ? ?細胞遺傳學實驗教學的重要性

細胞遺傳學是細胞學與遺傳學結合的產物，它以染色體為研究對象，揭示染色體與生物遺傳、變異與進化的關系。細胞遺傳學經過長期的發展，與分子生物學結合發展成為分子細胞遺傳學，并隨著高通量測序等組學技術的發展進一步形成系統完善的細胞遺傳學[8-9]。細胞遺傳學在醫學診斷[10]、倍性育種[11]、染色體工程[12]中具有重要的應用價值。因此，細胞遺傳學實驗在本科遺傳學實驗教學中具有十分重要的地位。

從Web of Science核心合集數據庫中檢索最近10年（2009—2018年）遺傳學中2種熱門的分子遺傳學實驗技術（基因編輯、RNA干擾）和3種經典的細胞遺傳學實驗技術[核型分析、熒光原位雜交（FISH）、染色體顯帶]相關SCI論文數量，結果如圖1所示。由圖1可知，作為新興技術，基因編輯相關論文數量近年來迅速增加，自2016年開始每年相關論文數量均超過2 000篇，且呈逐年快速增加的趨勢;RNA干擾雖然近3年相關論文數量呈下降趨勢，但每年論文數量一直維持在5 000篇以上，是遺傳學研究中的熱門技術;在經典細胞遺傳學實驗技術中，染色體顯帶技術相關論文相對較少，基本穩定維持在每年100～200篇，但核型分析和熒光原位雜交相關論文數量近10年來均穩定維持在每年2 000～3 000篇;這表明細胞遺傳學經典實驗技術（核型分析、熒光原位雜交等）在生命科學研究中仍然具有相當重要的作用。

因此，在實驗課時有限的前提下，以“綜合性、設計性”為導向，如何高質量做好細胞遺傳學實驗教學是本科遺傳學教學中需要解決的重要課題。

2 ? ?細胞遺傳學核心實驗模塊化設計

2.1 ? ?細胞遺傳學核心實驗

目前，國內本科遺傳學實驗教材中收錄的細胞遺傳學實驗項目主要有12項[2-5，13]，如表1所示。顯然，受實驗教學課時的限制，這些實驗項目在教學中是無法全部完成的。在實際教學工作中，任課教師只能根據實際課時并結合實驗室的條件從中選取少量實驗項目進行，因而導致在細胞遺傳學實驗教學內容選取過程中往往存在一定的隨意性。因此，有必要從細胞遺傳學整體實驗技術體系的角度對這些實驗項目進行梳理和分析，確定哪些實驗項目是細胞遺傳學核心實驗項目，在教學中優先保證這些項目的完成。由于細胞遺傳學是以染色體為主要研究對象，因而染色體操作與分析是細胞遺傳學核心實驗技術。

2.1.1 ? ?核心實驗。涉及核型分析、熒光原位雜交、染色體顯帶等，屬于遺傳學特色實驗，基本不會與其他課程重復，更重要的是在現代遺傳學研究和實際應用中仍然經常使用，在遺傳學實驗課程中應該盡量開設。因此，可以將之歸為細胞遺傳學核心實驗。

2.1.2 ? ?非核心實驗。植物組織培養、植物原生質體的分離再生不直接涉及染色體操作與分析，且與植物生理學、植物組織培養、細胞工程等實驗課程存在重復，在遺傳學實驗中可不開設;有絲分裂和減數分裂過程中染色體行為的觀察、果蠅唾腺染色體的觀察、姊妹染色單體區分染色、植物微核檢測屬于比較經典的遺傳學實驗項目，在課時允許的條件下可以開設。

2.2 ? ?模塊化實驗教學設計

在遺傳學實驗教材中，所列的核心實驗均為各自獨立的項目（表1）。在實際實驗教學中，可以采用模塊化方法進行實驗教學設計，既能在有限的課時內盡量覆蓋全面的內容，又可以提高實驗教學效果。按照所涉及的實驗技術和目的，細胞遺傳學核心實驗可以分為3個模塊，即染色體誘變技術（包括染色體數量變異與結構變異）模塊、染色體標本制備技術模塊、染色體分析技術模塊（圖2）。

按照設計方案，現有遺傳學實驗教材中原本分散獨立的細胞遺傳學實驗按照其所涉及的實驗技術整合形成3個教學模塊，在實驗教學過程中可以根據實驗室具備的條件進行這3個模塊要素的自由組合，形成綜合性實驗項目，例如：①基于45s rDNA-FISH的植物染色體組型分析;②結合C-顯帶技術和重復序列為探針的FISH識別植物的染色體;③基于FISH技術鑒定植物異附加系材料;④基于特異性重復序列探針鑒定植物異源多倍體材料。

3 ? ?細胞遺傳學綜合性實驗教學方式

開展綜合性、設計性實驗，對實驗教學的組織提出了更高的要求。因此，需要在實驗教學方式上進行相應的調整。

3.1 ? ?做好實驗前的準備工作

綜合性、設計性實驗需要學生提前做好資料收集、實驗設計、實驗準備。因此，教師一般需要提前2周以上向學生布置實驗任務。一些實驗材料需要準備的時間很長（例如遠緣雜交及回交），只能由任課教師提前完成，但最好能向學生提供準備過程的照片、視頻等，以使學生具備直觀的認識。

3.2 ? ?發揮研究生的助教作用

綜合性、設計性實驗往往程序較復雜，實驗過程較長，時間跨度較大，僅依靠課程課表上的時間往往無法完成實驗，而任課教師通常也無法抽出更多的額外時間全程陪同和指導。所以，發揮研究生助教的作用不失為恰當的解決方法。將學生分組并分配研究生作為助教，這樣既能使學生及時得到指導，另一方面研究生也得到鍛煉，完成了其培養方案中的教學實踐工作。

3.3 ? ?科研反哺教學

開展綜合性、設計性實驗對儀器設備要求較高。部分實驗設備，尤其是一些大型貴重儀器設備，本科教學實驗室可能不具備。國家級、省部級科研平臺的儀器設備往往較為先進、齊備，是解決教學儀器不足的途徑。只要管理得當，不對科研造成阻礙，可更大程度地發揮科研儀器設備的價值。此外，結合教師的科研項目，可以引導學生在教師科研項目框架內開展設計性實驗。在此過程中獲得的具有理論創新或應用價值的成果可以鼓勵學生撰寫并公開發表論文，從而實現教學與科研相互促進。

4 ? ?結語

細胞遺傳學實驗是森林資源類、植物生產類本科專業遺傳學實驗教學中經典、特色內容，在遺傳學基礎研究和實際應用中具有重要價值，因而細胞遺傳學實驗教學必須重視。在總實驗課時有限的條件下，建議優先保證由染色體誘變、染色體標本制備、染色體分析三大模塊構成的細胞遺傳學核心實驗的教學。各高校根據自身教學與科研平臺情況、科研領域等開展綜合性、設計性實驗教學。在此基礎上，通過實驗教學材料共享、教學案例報道等，將進一步推進國內遺傳學教學質量提升，促進高素質生命科學人才的培養。

5 ? ?參考文獻

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